PCS7控制系统在纤维后处理项目中的冗余应用

李宏利

【摘要】介绍西门子PCS7 DCS控制系统在纤维后处理项目中的冗余应用。简要讲述了系统的组成及网络结构，并对系统供电、系统控制、网络配置、单站结构的冗余方案进行阐述。

【关键词】PROFIBUS_DP现场总线；单站；冗余；PCS7；控制器； Y-LINK

1、引言

唐山三友集团远达化纤有限公司坐落于河北省唐山市曹妃甸新区，毗邻京津唐大都市群，是纤维素纤维专业生产厂家。公司利用先进的技术优势及设备制造能力，在业内首创了单线产能8万吨/年的世界最大生产线，创造了单线产能最大、设备最先进、差别化率最高、产品质量最优、综合能耗最低等行业之最，成为国内最大的纤维素纤维生产、研发基地之一。其中纤维后处理项目是为了除去或减少粘胶纤维纺丝成形后含有的残硫杂质，如硫酸、硫酸盐、二硫化碳及硫磺等。避免它们在纤维中的存在，影响丝条质量，如丝条的残留不仅使纤维变为淡黄色，手感粗硬、发脆，还影响强力。烘干时对纤维起破坏作用或降低纤维的物理机械性能和染色性能，某些杂质在成品纤维中的存在会影响纺织加工的顺利进行和织物的外观，降低织物的使用性能。该项目过程控制采用了西门子PCS7 V7.1 SP1 版本的DCS控制系统，在PCS 7 系统中，采用的是参考单站架构，基于标准的SIMATIC软件和硬件，支持总线冗余和组件冗余，支持在线组态修改和故障诊断。由于该装置属于危险化学品行业，生产过程具有易燃易爆，有毒有害的特点，生产过程中设计了多处联锁回路确保安全。一旦控制系统哪个环节出现问题，将会给生产和安全带来严重后果，为此针对DCS控制系统，我们考虑设计一整套冗余控制方案，即系统供电冗余、控制器冗余、通讯网络冗余。

2、系统组成及网络结构

本项目DCS控制系统构成：操作员站（OS）系统使用的是参考单站，他是由三台单站组成。各个单站分别独立运行，各自完成从AS采集数据，归档和报警的功能，单站同时还是操作员进行操作的人机界面。在系统结构中，指定一台操作员站同时具备工程师站（ES）功能，用于项目组态。中央处理器使用的是西门子CPU417H，在制造自动化和过程自动化中，对所有中、高端的应用来说，CPU417H功能非常强大。网络结构包括工业以太网络、PROFIBUS_DP网络。工业以太网络实现上位机与中央处理器之间的通讯；PROFIBUS_DP网络实现中央处理器与通讯卡件之间的冗余通讯。

3、冗余供电方案

该项目整套DCS控制系统及附件都采用的冗余供电方式，其中220v电源是通过冗余UPS进行不间断供电，24V电源是通过两个朝阳电源（220V/24V）并联加二极管实现冗余供电。UPS采用30KVA的梅兰日兰MGE Galaxy 300型号，其特点：双电源输入，容许一路或两路独立电源的标准安装；自动内部旁路，按照满载设计的内置静态维修旁路在严重过载时通过由市电供电来防止断电。最多可并联2个单元，以实现冗余，连接的设备可由并联的两台UPS供电，以增加系统冗余性。快速电池充电能力，可使运行时间达到4小时以上，长延时充电器缩短了充电时间，防止电池深度放电。我厂实现冗余供电的原理图如下：

4、网络冗余方案

西门子PCS7自动控制系统共分为三层网络，上层普通以太网，中层环网以太网，下层PROFIBUS_DP网。下层PROFIBUS_DP网分为两段DP网络，一段DP网连接冗余控制器和冗余ET200M卡站，每个卡站的两个冗余通讯卡通过PROFIBUS_DP现场总线连接到两个冗余控制器上；另一段DP网连接西门子CP443-5扩展型通讯处理器和Y-LINK组件，Y_LINK的作用为把 CP443-5扩展型通讯处理器下冗余的profibus DP转成单DP链路，去连接DP链路不冗余的设备，主要用于控制后处理项目中的电机。中层环网本身就是冗余通讯，当环网的某一节点故障时，其它节点就变成单通讯网照常工作。环网通过西门子交换機（SIMATIC NET Industrial Ethernet Switch SCALANCE X212-2）进行连接，由于西门子交换机具有网络节点只能诊断功能，因此PCS7控制系统报警画面中能够监控整个环网的运行情况，保证了控制器的冗余和通讯冗余。上层以太网与我们常用的局域以太网连接相似，可以将操作站分别通过交换机与客户机及工程师站连接，每个客户机作为单独的参考单站互不影响，如果在生产中某个客户机出现问题，我们只需要对这个客户机进行修理，其他客户机正常使用，这样就不会对整个控制系统造成影响。

5、单站冗余结构

单站冗余结构通过西门子公司的PCS7配套软件实现，每个单站具有完全相同的功能和操作员界面。我们在设置的时候无需对多个单站的OS画面等进行重复组态，只需在以一个单站为模板创建副本即可，作为模板的单站一般设为工程师站。

6、其他注意事项

我厂DCS控制系统冗余方案把工程师站也当做了单站使用，主要是因为工程师站不需要一直在线，即使坏掉也不会影响系统运行，有足够的时间维修；没有单独设置归档服务器，使用单站各自归档互不影响，同时为了使各个单站之间的归档数据时间保持一致，我们通过PCS7软件实现使时间同步功能。电脑长期运行不免出现故障，我厂都会对电脑报1至2台备件，对电脑硬盘进行镜像备份，对程序进行单独备份。AS控制器的EPROM程序存储器也采用双锂电池供电，确保交流电失电时能够不丢失控制程序。在每日定时巡检时，发现电池失效报警时要及时更换防止意外发生。PCS控制系统的运行环境要求温度湿度要符合标准，因此安装空调和采取防尘措施对系统的安全稳定运行时必要的。我们要定期对系统卡件进行除尘。

7、结束语

本文介绍的西门子PCS7 V7.1 SP1版本DCS控制系统能够较好实现上述冗余功能，我厂与2010年在纤维后处理项目中投入了该套系统，到目前为止运行稳定可靠、确保了生产的安全稳定运行。

参考文献

[1]王仁祥，王小曼.S7 300/400入门与进阶.北京：中国电力出版社，2009年3月